激光制造鋼的工藝進展以及面臨的挑戰(zhàn)（五）

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：本文探討了激光制造鋼的工藝進展以及面臨的挑戰(zhàn)。本文為第五部分。

奧氏體鋼
各種奧氏體不銹鋼（如316L和304L）已使用不同的LAM技術(shù)進行加工，L-DED是最常用的。表4總結(jié)了近年來LAM在不銹鋼方面的工作，重點是原料、激光類型、孔隙率和機械性能（即硬度和拉伸性能）。如圖1所示，316L是LAM最常用的奧氏體不銹鋼，因為其綜合機械性能、耐腐蝕性和高AM加工性。術(shù)語“可加工性”旨在描述原料材料通過LAM成功加工成塊狀材料而不發(fā)生故障的能力，以及滿足特定應(yīng)用的機械、冶金和功能要求的能力。

然而，沒有正式統(tǒng)一的定義或標(biāo)準(zhǔn)測試方法來評估特定材料的可加工性。一般來說，具有良好焊接性的合金可能具有良好的AM加工性。因此，由于冶金工藝，尤其是L-DED工藝的相似性，鋼的可加工性排名可以參考廣泛報道的可焊性結(jié)果。此外，如表4所示，除了Syed及其同事使用316L不銹鋼絲外，所有其他研究人員都使用粒度在10到180之間的球形粉末以μm為原料。表4還表明，LAM生產(chǎn)的大多數(shù)316L不銹鋼零件幾乎完全致密。表4中密度相對較低的幾個案例歸因于使用的未優(yōu)化工藝參數(shù)[。如“LAM加工變量的影響”一節(jié)所述，通過優(yōu)化加工參數(shù)，可以降低LAM加工鋼的孔隙率（見圖6）。

圖1 (a)發(fā)表關(guān)于各類鋼材LAM的論文數(shù)量;(b)不同類別鋼的LAM研究工作所占的百分比。數(shù)據(jù)來自2020年4月之前發(fā)表的論文。

圖6 工藝參數(shù)對L-PBF和L-DED制備的鋼試樣氣孔率的影響:(a)激光功率;(b)粉進料速度;(c)掃描間距;(d)涂層厚度和激光功率;(e)掃描速度和層厚;(f)掃描速度

表4 316L不銹鋼樣品的拉伸性能(硬度值根據(jù)ASTM F140-97標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為HV)。

如圖26所示，L-DED型奧氏體鋼和L-PBF型奧氏體鋼樣品均表現(xiàn)出周期性的熔池特征。清晰的層和熔池邊界可見。Wen等人報道了熔池邊界附近非金屬元素(即C、O和Si)的成分波動，這對LAM部件的性能有害。一些研究人員還報告說，與熔池中心相比，熔池邊界(mpb)附近的晶粒更粗，因此認為熔池的行為類似于焊接的熱影響區(qū)(HAZ)。這可能是由于在構(gòu)建后續(xù)層時，如果層重疊太多，現(xiàn)有層就會過熱。因此，如果適當(dāng)優(yōu)化工藝參數(shù)，這種現(xiàn)象在LAM生產(chǎn)的奧氏體不銹鋼中很少被報道(見圖9、19、22)。相比之下，大多數(shù)EBSD取向圖顯示，由于mpb處的冷卻速度較高，與熔體中心相比，mpb附近的晶粒更細(圖9)。對比圖26(a)和圖26(d)可以看出，由于在L-DED過程中相對較高的能量輸入和較大的束尺寸，L-PBF構(gòu)建的316L鋼的熔體池尺寸(深度和寬度)是L-PBF構(gòu)建試樣的數(shù)倍。

圖26 (a-c) L-DED建造的和(d,e) L-PBF建造的316L不銹鋼樣品中熔體池和胞狀結(jié)構(gòu)的典型形態(tài);(g) L-PBF制備的316L鋼試樣截面的SEM圖像;(h)顯示凝固細胞的亮場透射電鏡圖像;(i)高角度環(huán)形暗場STEM圖像，顯示凝固細胞，如h所示;(j)細胞結(jié)構(gòu)的TEM-EDS圖。

用Cu Kα射線在PANalytical蒼天上進行了x射線衍射分析。所有樣品的步長均為0.01°。拉伸片尺寸為14 × 36 × 10 mm3。然后通過電火花加工方法加工到拉伸貼片尺寸(見下圖(d))。樣品先用320砂紙磨，再用1000砂紙磨。拉伸試驗在Instron靜態(tài)測試儀(5569系列)上進行，應(yīng)變速率為2.65 × 10−4/s。在中斷之前一直使用觸點引伸計。每組至少測試了三個樣品。

利用SLM AM過程設(shè)計所需特性的流程圖概述。

LAM生產(chǎn)的316L和304L樣品中最常見的相組成是具有面角立方（FCC）晶體結(jié)構(gòu)的單奧氏體。這與通過傳統(tǒng)鑄造或焊接工藝制造的產(chǎn)品一致（表3）。這是由于奧氏體鋼的Creq/Nieq范圍為1.25–1.95，導(dǎo)致上述AF或FA凝固模式。偶爾在大功率L-DED工藝中，由于枝晶邊界處的溶質(zhì)偏析，冷卻速度相對較低時，在枝晶間邊界上檢測到少量鐵素體，尤其是在鐵素體形成元素（如Cr和Mo）中。然而，在LAM生產(chǎn)的奧氏體不銹鋼中還沒有馬氏體相變的報道。

圖9、19和22顯示了LAM生產(chǎn)的316L鋼的晶粒形態(tài)和織構(gòu)。由于通過襯底的定向熱釋放，沿構(gòu)建方向生長的細長柱狀晶粒是一個常見特征，這導(dǎo)致在凝固過程中外延生長。對于立方晶體結(jié)構(gòu)，柱狀晶粒傾向于<001>方向生長，這與最大熱流方向（最陡的熱梯度）相反。因此，在奧氏體鋼中，通常會產(chǎn)生沿構(gòu)建方向的、與散熱路徑相反的強烈<001>晶體織構(gòu)。如前所述，在“LAM加工變量的影響”一節(jié)中，<011>由于不同的LAM工藝參數(shù)導(dǎo)致熔池幾何形狀的差異，沿構(gòu)建方向的結(jié)晶織構(gòu)也被報告。

圖9 激光功率分別為380 W (a)和950 W (b)時，L-PBF制備的316L不銹鋼樣品的晶體織構(gòu)(a,b)和拉伸性能(c)。晶體方向沿建筑方向觀察，如圖(a)所示箭頭所示。380 W (c,d)和950 W (e,f)[23]樣品的動力學(xué)蒙特卡羅模擬結(jié)果的等距和正面視圖。

圖19 EBSD方位圖在L-PBF搭建的316L薄壁樣品的搭建方向上，不同厚度(a)和傾角(b)。

圖22 不同線性熱輸入下縱向L-DED構(gòu)建304L樣本的EBSD逆極點圖：（a，b）線性熱輸入 = 271 J mm–1，（c，d）線性熱輸入 = 377 J mm-1；（e）從低功率壁和高功率壁兩個方向提取的304L樣品，以及從退火基板提取的樣品的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（f）縱向試樣的抗拉強度隨薄壁試樣底部距離的變化。

如圖9和圖22所示，由于L-DED過程中相對較低的冷卻速率，L-DED制造樣品中的晶粒尺寸大于L-PBF制造零件中的晶粒尺寸。合金凝固組織的形態(tài)取決于G/R和G×R的綜合效應(yīng)，其中G是熱梯度（K m–1），R是凝固速率（m s-1）。比值G/R決定凝固模式，而產(chǎn)品G×R決定凝固微觀結(jié)構(gòu)的規(guī)模。降低G/R比促進了從平面到胞狀、然后到柱狀枝晶和等軸枝晶的形態(tài)轉(zhuǎn)變，而增加G×R值則細化了凝固微觀結(jié)構(gòu)。因此，L-DED過程中較高的能量密度通常會導(dǎo)致較低的G，從而導(dǎo)致較小的G×R值，這對應(yīng)于較粗的晶粒。因此，L-DED構(gòu)建樣品的微觀結(jié)構(gòu)通常比L-PBF構(gòu)建的對應(yīng)物粗糙。有趣的是，這也適用于亞晶粒結(jié)構(gòu)，如圖11所示。此外，L-DED過程中較低的熱梯度也對應(yīng)較小的G/R值。因此，在L-DED中，由于高能量輸入，樹突生長比細胞生長更常見。然而，由于高的熱梯度，在L-PBF制造的316L樣品中，亞晶粒結(jié)構(gòu)的枝晶生長尚未報道。

在每個熔池軌跡內(nèi)，通常在奧氏體鋼中觀察到細亞晶粒結(jié)構(gòu)，例如胞狀和有時樹枝狀結(jié)構(gòu)，如圖26（a–f）所示。值得注意的是，如圖26（e）所示，細胞或樹突結(jié)構(gòu)在縱向和橫向上看起來不同。這些亞晶粒結(jié)構(gòu)多次被錯誤地視為晶粒[60]，直到EBSD圖譜澄清同一晶粒中的細胞具有相同的取向。一般來說，L-DED制造的316L不銹鋼的細胞結(jié)構(gòu)尺寸比L-PBF制造的大得多（見圖26（c，f））[63]。如上所述，這也是因為與L-PBF工藝相比，L-DED工藝的冷卻速率相對較低（G×R值較低）。此外，L-DED過程中較低的熱梯度也會導(dǎo)致較低的G/R值。因此，在使用高功率L-DED構(gòu)建的樣品中，有時發(fā)現(xiàn)亞晶粒結(jié)構(gòu)是樹枝狀生長而不是細胞生長。然而，由于高的熱梯度，在L-PBF制造的316L樣品中，亞晶粒結(jié)構(gòu)的枝晶生長從未被報道。

此外，沿這些亞微米胞狀結(jié)構(gòu)的壁觀察到高密度位錯、微尺度偏析（例如Cr和Mo）和納米級硅酸鹽沉淀（見圖26（g–j））。成品316L鋼的位錯密度約為1014–1015 m mm–3，遠高于退火鍛造樣品（109–1010 m mm–3）。在L-DED制造的316L鋼中也報告了類似的結(jié)果。人們認為，兩種工藝中快速凝固過程中的熱收縮應(yīng)力都會產(chǎn)生應(yīng)變，從而產(chǎn)生高密度位錯，這似乎與焊接工藝相似。然而，Saeidi等人提出，位錯的高密度可能與廣泛報道的胞狀結(jié)構(gòu)有關(guān)，這將在“雙相鋼”一節(jié)中進一步討論。此外，在LAM生產(chǎn)的316L鋼零件中，沿胞間壁的微尺度偏析已被廣泛報道，這使位錯釘扎得以改善，從而導(dǎo)致孿晶。然而，溶質(zhì)分布的不均勻性和非平衡微觀結(jié)構(gòu)也被證明會降低耐腐蝕性。此外，由于LAM過程中的原位氧化，沿細胞間壁檢測到含硅和錳的氧化物（圖26（i–j））。這些夾雜物被認為是導(dǎo)致耐腐蝕性降低的另一個原因。需要進一步研究LAM生產(chǎn)的奧氏體不銹鋼的腐蝕行為。

316L粉末原料和PBF-L合金在拋光和蝕刻條件下的XRD光譜。所有掃描均顯示FCC奧氏體相的存在，在PBF-L 316L數(shù)據(jù)中，細微的峰值加寬是明顯的。

PBF-L 316L合金的XRD光譜如上圖所示，與在原料粉末上獲得的測量值相關(guān)。首先對單個樣品進行表面拋光分析，然后對蝕刻表面進行測量，以檢查氧化物的形成。粉末樣品上的反射指數(shù)顯示存在FCC奧氏體相，該相通過PBF-L處理保留。PBF-L樣品中峰的展寬和強度降低歸因于快速凝固合金中微觀結(jié)構(gòu)的細化。然而，峰值仍然太尖銳，無法區(qū)分大小和應(yīng)變加寬與儀器加寬，因此，通過舍勒、威廉姆森-霍爾或沃倫-艾弗巴赫方法估算晶粒大小將無法準(zhǔn)確表示晶粒大小。最后，拋光和蝕刻樣品的光譜相同，表明蝕刻過程不會產(chǎn)生厚的表面氧化物或其他金屬間相。

Wang及其同事報告稱，L-PBF制造的316L不銹鋼呈現(xiàn)出廣泛的晶粒尺寸分布，包括大部分低角度晶界（LAGBs，2°）−10°, ～41%的GBs）和波紋狀顆粒形狀。認為LAM處理鋼中LAGBs的高密度與常見的晶內(nèi)取向錯誤有關(guān)。如圖19和22所示，單個晶粒內(nèi)顏色的細微差異表明奧氏體鋼中亞晶粒間的晶粒內(nèi)取向錯誤。Andrew及其同事[245]進行的3D EBSD表征表明，柱狀晶粒中的這些晶粒內(nèi)錯向不是隨機分布的，而是沿著柱狀晶粒的構(gòu)建/凝固方向增加的，最高的錯向聚集在晶粒的最后凝固區(qū)域周圍。人們認為，取向錯誤的累積與晶粒內(nèi)的溶質(zhì)偏析有關(guān)。獨特的高度不均勻的微觀結(jié)構(gòu)提高了機械性能，這將在“機械性能”一節(jié)中進一步討論。

鐵素體鋼
與奧氏體鋼相比，鐵素體鋼具有相對較低的熱膨脹系數(shù)，因此更適合于需要較高熱疲勞抗力的應(yīng)用。然而，直到Karlsson等人最近研究了用L-PBF制造的AISI 441鋼的微觀結(jié)構(gòu)和機械行為后，才對這種不銹鋼的LAM進行了研究。AISI 441鋼是一種典型的固溶體強化鐵素體不銹鋼，加入少量Nb和Ti以提高高溫下的強度。

通常，在常規(guī)熱軋和L-PBF制造的AISI 441鋼中，初生相均為體心立方（bcc）鐵素體。然而，如表3所示，偶爾在熱軋樣品中觀察到錫和鈮（C，N）相，但在L-PBF樣品中沒有觀察到。這是由于冷卻速度極高～106K s–1[8]在LAM過程中，抑制了TiN和NB（C，N）相的形成。此外，與LAM生產(chǎn)的奧氏體不銹鋼（圖27）類似，L-PBF制造的AISI 441鋼具有周期性熔池特征（圖27（a））。EBSD圖顯示了AISI 441鋼熔池中的非均勻晶粒形態(tài)，其中可以觀察到從沿熔池邊界的細等軸晶粒（由圖27（a）中的虛線標(biāo)記）過渡到熔池中心的細柱狀晶粒。

圖27 L-PBF制造的AISI 441鋼的微觀結(jié)構(gòu)（激光功率為60W，掃描速度為120 嗯 s–1）：（a）EBSD取向圖，IPF顏色代碼代表晶粒取向，虛線曲線顯示熔池邊界；（b）高倍SEM顯微照片，顯示由剛玉顆粒（紅色箭頭）和鈮偏析（藍色箭頭）裝飾的細胞結(jié)構(gòu)；（c） HAADF顯微照片和相應(yīng)的EDS圖，顯示了剛玉顆粒的組成。

如上所述，這歸因于熔池中不同位置的熱歷史變化，這已在LAM和焊接工藝中得到證實[8149]。然而，與在LAM制造后具有大的、有紋理的柱狀晶粒的奧氏體不銹鋼不同（圖9和26），L-PBF制造的AISI 441鋼具有更細的平均晶粒尺寸～1.7μm。此外，大量隨機取向等軸晶粒的形成也導(dǎo)致了L-PBF制造的AISI 441鋼中的無織構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)，如圖27（a）所示的IPF顏色所證實。這種細粒度微觀結(jié)構(gòu)在鑄造和焊接對應(yīng)物中鮮有報道。人們認為，與L-PBF工藝相關(guān)的極高冷卻速率(～106K s–1）負責(zé)微觀結(jié)構(gòu)的細化。此外，在L-PBF制備過程中原位形成的TiN納米顆粒也有助于晶粒細化。Durga等人最近的一項研究報告稱，在L-PBF制造過程中，AISI 441鋼中的Ti與N發(fā)生反應(yīng)，在液體中形成TiN納米顆粒。

由于TiN和鐵素體之間的晶格失配程度較低，TiN顆�？梢宰鳛楫愘|(zhì)形核點，在凝固時促進鐵素體的形核，從而形成細晶粒的微觀結(jié)構(gòu)。然而，在卡爾森的工作中，XRD沒有檢測到錫，這可能是因為其體積分?jǐn)?shù)較低。對L-PBF制造的AISI 441鋼（圖27（b））的微觀結(jié)構(gòu)進行了更詳細的檢查，發(fā)現(xiàn)其具有極細的胞狀結(jié)構(gòu)，類似于圖27所示的奧氏體鋼。球形富鈦剛玉顆粒大小為～50 如圖27（c）所示，EDS分析證實，納米分散在細胞內(nèi)。其分散分布表明，這些顆粒直接由液體形成。此外，觀察到Nb沿晶胞邊界偏析，這在后退火過程中增強，導(dǎo)致Fe2Nb Laves的形成。

雙相鋼
雙相不銹鋼（DSS）在微觀結(jié)構(gòu)中由幾乎等量的鐵素體和奧氏體組成。在過去的幾十年中，DSS由于具有更高的強度和耐腐蝕性，已越來越多地應(yīng)用于各個行業(yè)（如化工、海洋工程），以取代奧氏體不銹鋼。采用LAM工藝研究了兩種雙相鋼。它們是2507（UNS S32750）和2205（UNS S31803）DSS。到目前為止，所有這些雙相鋼樣品都是使用L-PBF裝置制造的。

L-PBF構(gòu)建的2205 DSS的EBSD相位圖（圖28（a，b））表明，構(gòu)建的樣品幾乎完全是鐵素體的(～99%體積分?jǐn)?shù)），沿鐵素體晶界有少量奧氏體。在其他經(jīng)LAM處理的DSS樣品中報告了類似的相組成。然而，在傳統(tǒng)焊接工藝中，奧氏體相的比例要高得多，高達68%。奧氏體分?jǐn)?shù)的差異與冷卻速度有關(guān)。通常，L-PBF工藝的功率（通常低于1 功率遠低于焊接（從幾千瓦到50千瓦）千瓦），從而降低能量密度，從而提高冷卻速度(～106K s–1），在L-PBF期間，在較高溫度范圍內(nèi)抑制δ-鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變。

因此，與傳統(tǒng)焊接工藝不同，后熱處理對于恢復(fù)L-PBF制造的DSS樣品中的雙相結(jié)構(gòu)是必要的，這將在“后處理”一節(jié)中進一步討論。如上所述，與L-PBF工藝相比，L-DED工藝期間的能量密度相對較高，這可能導(dǎo)致L-DED制造樣品中的奧氏體含量較高。因此，在不進行后熱處理的情況下，通過L-DED工藝可以直接獲得近似相等的雙相結(jié)構(gòu)，這需要實驗驗證。

圖28 EBSD取向地圖(a, c)和相位地圖(b, d)的L-PBF建造2205 DSS的標(biāo)本(250 W的激光功率、掃描速度的850 mm s - 1層厚度0.05毫米和0.1毫米的孵化空間)，(a, b)和(c, d)熱處理后在1000°c 60最低為1:鐵素體相是染了紅色和奧氏體相的藍色階段地圖;TEM圖像顯示，在L-PBF制備的2507個DSS樣品(激光功率為190 W，掃描速度為750 mm s-1，層厚為0.02 mm，缺口空間為0.1 mm)中存在高密度的位錯(e)和氮化鉻(f)。

利用光學(xué)顯微鏡對316L不銹鋼蝕刻表面的顯微組織進行了研究，并與變形的316L板材進行了比較。如下圖a所示，在Vilella腐蝕30分鐘后，后者表現(xiàn)出等軸的晶粒結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸為10 ~ 20μm。相反，在pfc - l316l樣品上進行25分鐘的Vilella刻蝕，顯示了下圖2b所示的非均勻微觀結(jié)構(gòu)。由激光掃描模式和局部熔化區(qū)域的快速凝固形成的網(wǎng)狀熔池排列成編織狀。這種累積的快速凝固組織在PBF-L合金中很常見，導(dǎo)致相對于名義成分相同的變形材料，其顯微組織長度尺度有很大的不同。

(a) 316L不銹鋼片在Vilella試劑中蝕刻30分鐘后的光學(xué)顯微圖，(b) PBF-L 316L不銹鋼在Vilella試劑中蝕刻25分鐘后的光學(xué)顯微圖。

如圖28（e）所示，在已建成2507 DSS的整個鐵素體基體中可以觀察到高密度位錯環(huán)，這與LAM生產(chǎn)的奧氏體鋼類似（圖26（h））。根據(jù)Hengsbach等人，高位錯密度是后續(xù)熱處理中再結(jié)晶和奧氏體形核的驅(qū)動力。值得注意的是，LAM處理的雙相鋼和奧氏體鋼中高密度位錯的形成機制可能不同。對于激光熔化的316L鋼，位錯僅分布在胞狀邊界附近。有人提出，由于快速凝固過程中大Mo原子均勻合金化的緩慢動力學(xué)，由成分波動形成了胞狀結(jié)構(gòu)。Saeidi等人提出，樣品中沿亞晶界的高密度位錯是由于奧氏體晶格中錯位鉬的富集。

此外，沿亞晶界形成球形納米夾雜物也會產(chǎn)生局部應(yīng)力，促進位錯增殖。這與傳統(tǒng)焊接或鍛造鋼不同，后者的位錯通常會被誘導(dǎo)的高應(yīng)力倍增。然而，在L-PBF構(gòu)建的DSS中，沒有觀察到典型的亞微米蜂窩結(jié)構(gòu)。位錯的產(chǎn)生被認為是激光輻照誘導(dǎo)的過飽和空位的結(jié)果。在LAM工藝的快速凝固過程中，激光輻照預(yù)計會將過飽和空位引入輻照晶體�？瘴黄�析和塌陷導(dǎo)致晶體固體中位錯環(huán)和空穴的形成。請注意，到目前為止，在LAM生產(chǎn)的DSS中沒有微偏析和成分波動的報告。因此，LAM處理的雙相鋼和奧氏體鋼之間位錯增殖機制的差異仍需進一步研究。關(guān)于胞狀結(jié)構(gòu)的形成機制以及相應(yīng)的位錯、偏析和氧化物的更多細節(jié)，可在綜述中找到。

與奧氏體鋼類似，在L-PBF構(gòu)建的2205 DSS中觀察到沿構(gòu)建方向取向的柱狀晶粒外延生長。如上所述，強<001>織構(gòu)廣泛存在于具有立方晶體結(jié)構(gòu)的LAM加工合金中。在L-PBF建造的2205和2507 DSS樣本中，在建筑方向上的強<001>對齊已確定[250255]。然而，對于在每層之間使用66°旋轉(zhuǎn)掃描策略制造的樣品，優(yōu)選晶體取向的強度要弱得多。因此，旋轉(zhuǎn)掃描策略似乎可以有效地最小化紋理。

來源：Laser additive manufacturing of steels，InternationalMaterials Reviews，doi.org/10.1080/09506608.2021.1983351
參考文獻：Gibson I, Rosen DW, Stucker B. Additive manufacturing technologies.Vol. 17. Cham, Switzerland: Springer; 2014. Brandt M. Laser additivemanufacturing: materials, design, technologies, and applications. Duxford:Woodhead Publishing; 2016.